【密碼學實戰】Java 實現 SM2 國密算法（簽名帶id、驗簽及 C1C3C2 加密解密）

前言

SM2是中國國家密碼管理局發布的橢圓曲線公鑰密碼算法標準（GB/T 32918），屬于國密算法體系。與RSA和ECDSA相比，SM2在相同安全強度下密鑰更短、計算效率更高。本文將介紹如何在Java中實現SM2的密鑰生成、數字簽名、驗簽、加密及解密功能。

一、結果驗證

1.代碼運行結果

1.1 不帶id簽名驗簽代碼運行結果

在這里插入圖片描述

1.2 帶id簽名驗簽代碼運行結果

在這里插入圖片描述

1.3 SM2加密解密代碼運行結果

在這里插入圖片描述

2.工具驗證結果

2.1 不帶id簽名驗簽工具運行結果

在這里插入圖片描述

2.2 帶id簽名驗簽工具運行結果

在這里插入圖片描述

2.3 SM2加密解密工具運行結果

在這里插入圖片描述

二、SM2簽名原理

SM2簽名過程的核心是利用私鑰對消息進行簽名，生成簽名值 (r, s)。具體步驟如下：

  1. 計算消息的哈希值
    使用SM3哈希算法對消息 M 進行哈希處理，得到哈希值 e。

  2. 生成隨機數
    選擇一個隨機數 k，滿足 1 < k < n，其中 n 是橢圓曲線的階。

  3. 計算橢圓曲線點
    使用隨機數 k 計算橢圓曲線上的點 Q = kG，其中 G 是橢圓曲線的基點。取點 Q 的 x 坐標 x1。

  4. 計算簽名值 r
    計算 r = (e + x1) mod n。如果 r = 0 或 r + k = n，則重新選擇隨機數 k。

  5. 計算簽名值 s
    計算 s = (1 + d)^{-1} * (k - r * d) mod n，其中 d 是私鑰。

  6. 輸出簽名結果
    簽名結果為 (r, s)，通常以字節數組的形式存儲和傳輸。

三、SM2驗簽原理

SM2驗簽過程的核心是利用公鑰驗證簽名的有效性。具體步驟如下：

  1. 計算消息的哈希值
    使用SM3哈希算法對消息 M 進行哈希處理，得到哈希值 e。

  2. 計算值 t
    計算 t = (r + s) mod n，其中 r 和 s 是簽名值。

  3. 計算橢圓曲線點
    計算點 R = sG + tP，其中 G 是橢圓曲線的基點，P 是簽名者的公鑰。取點 R 的 x 坐標 x1。

  4. 驗證簽名
    驗證等式 r = (e + x1) mod n 是否成立。如果成立，則簽名有效；否則，簽名無效。

四、SM2簽名與驗簽的Java實現

1. 添加依賴

在pom.xml中添加Bouncy Castle依賴：

<dependency><groupId>org.bouncycastle</groupId><artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId><version>1.70</version>
</dependency>

2. 生成密鑰對

/*** 生成SM2密鑰對。** @return 生成的密鑰對（包含公鑰和私鑰）* @throws Exception 如果密鑰生成過程中發生錯誤*/public static KeyPair generateKeyPair() throws Exception {// 添加Bouncy Castle安全提供者Security.addProvider(new BouncyCastleProvider());// 獲取SM2橢圓曲線參數（使用sm2p256v1曲線）ECParameterSpec sm2Spec = ECNamedCurveTable.getParameterSpec("sm2p256v1");// 創建EC密鑰對生成器實例KeyPairGenerator kpg = KeyPairGenerator.getInstance("EC", "BC");// 初始化密鑰對生成器，指定橢圓曲線參數和隨機數生成器kpg.initialize(sm2Spec, new SecureRandom());// 生成密鑰對并返回return kpg.generateKeyPair();}

3. 簽名不帶ID

 /*** 使用SM2算法進行簽名（不使用用戶ID）。** @param data       待簽名的數據（字節數組）* @param privateKey 簽名使用的私鑰* @return 簽名結果（字節數組）* @throws Exception 如果簽名過程中發生錯誤*/public static String signNoId(byte[] data, PrivateKey privateKey) throws Exception {// 創建SM2簽名實例，指定使用SM3哈希算法Signature signature = Signature.getInstance(GMObjectIdentifiers.sm2sign_with_sm3.toString(), BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);// 初始化簽名器，使用私鑰signature.initSign(privateKey);// 更新待簽名的數據signature.update(data);// 生成簽名byte[] signatureBytes = signature.sign();// 解析 DER 編碼的簽名結果ASN1Sequence sequence = ASN1Sequence.getInstance(signatureBytes);BigInteger r = ASN1Integer.getInstance(sequence.getObjectAt(0)).getValue();BigInteger s = ASN1Integer.getInstance(sequence.getObjectAt(1)).getValue();// 打印 r 和 s 的值System.out.println("r 的十六進制值: " + r.toString(16));System.out.println("s 的十六進制值: " + s.toString(16));// 將 r 和 s 拼接為 64 字節的簽名結果byte[] rBytes = to32Bytes(r);byte[] sBytes = to32Bytes(s);byte[] rawSignature = new byte[64];System.arraycopy(rBytes, 0, rawSignature, 0, 32);System.arraycopy(sBytes, 0, rawSignature, 32, 32);// 生成簽名并返回return Hex.toHexString(rawSignature);}

4. 驗簽不帶ID

/*** 驗證SM2簽名（不使用用戶ID）** @param data       待驗證的數據（明文）* @param signature  簽名數據（字節數組）* @param publicKey  公鑰* @return 驗簽結果（true表示成功，false表示失敗）* @throws Exception 如果驗簽過程中發生錯誤*/public static boolean verifyNoId(byte[] data, byte[] signature, PublicKey publicKey) throws Exception {// 初始化SM2簽名算法（使用SM3哈希算法）Signature verifier = Signature.getInstance(GMObjectIdentifiers.sm2sign_with_sm3.toString(), BouncyCastleProvider.PROVIDER_NAME);// 初始化驗證器，使用公鑰verifier.initVerify(publicKey);// 更新待驗證的數據verifier.update(data);// 將 r 和 s 拼接格式的簽名結果轉換為 DER 編碼格式byte[] derSignature = convertRawSignatureToDER(signature);// 驗證簽名return verifier.verify(derSignature);}

5. 測試代碼

public static void main(String[] args) throws Exception {// 生成密鑰對KeyPair keyPair = generateKeyPair();PublicKey publicKey = keyPair.getPublic();PrivateKey privateKey = keyPair.getPrivate();// 提取公鑰的 x 和 y 坐標String publicKeyX = ((ECPublicKey) publicKey).getQ().getAffineXCoord().toBigInteger().toString(16);String publicKeyY = ((ECPublicKey) publicKey).getQ().getAffineYCoord().toBigInteger().toString(16);// 拼接 x 和 y 坐標String publicKeyXY = publicKeyX + publicKeyY;System.out.println("X: " + publicKeyX);System.out.println("Y: " + publicKeyY);//System.out.println("公鑰: " + publicKeyXY);// 打印私鑰的十六進制表示BigInteger privateKeyD = ((ECPrivateKey) privateKey).getD();System.out.println("私鑰HEX: " + privateKeyD.toString(16));// 待簽名數據String data = "12345";String newData = "1234567";byte[] dataBytes = data.getBytes();//System.out.printf("原文: "+data);byte[] newDat = newData.getBytes();//System.out.printf("原文修改: "+newData);// 簽名String signature = signNoId(dataBytes, privateKey);System.out.println("簽名結果: " + signature);// 驗簽boolean isValid = verifyNoId(dataBytes, Hex.decode(signature), publicKey);System.out.println("驗簽值: " + isValid);// 修改原文驗簽boolean isVa = verifyNoId(newDat, Hex.decode(signature), publicKey);System.out.println("修改原文驗簽結果: " + isVa);System.out.printf("==========================================================: ");// 簽名帶idString dataID = "12345";String dataNew = "123456";String userId ="1234567812345678";String signatureId = signWithID(privateKey, publicKey, dataID, userId);System.out.println("帶id簽名結果: " + signatureId);// 驗簽帶idboolean isValidId = verifyWithID(publicKey, dataID, userId, Hex.decode(signatureId));System.out.println("帶id驗簽值: " + isValidId);// 驗簽帶id原文修改驗證boolean isValidIdNew = verifyWithID(publicKey, dataNew, userId, Hex.decode(signatureId));System.out.println("帶id驗簽值原文修改: " + isValidIdNew);}

五 、SM2帶ID簽名與驗簽Java實現

SM2簽名標準要求計算哈希值時包含用戶身份標識（ID），默認ID為空字符串。但在實際應用中（如金融場景），需明確指定用戶ID（如身份證號、手機號等）。以下是Java實現方法：

1.算法原理解析

SM2簽名算法中，用戶ID（即userId）被用于生成一個關鍵值 ZA，其目的是將用戶身份與密鑰綁定，增強安全性。具體步驟如下：

  1. ZA值計算
    ZA通過哈希函數（SM3）生成，計算公式為：

    復制

    ZA = HASH( ENTLA || ID || a || b || xG || yG || xA || yA )
    • ENTLA：用戶ID的比特長度（占2字節，如ID長度256比特則值為0x0100）
    • ID：用戶自定義標識（如身份證號、手機號）
    • a, b：橢圓曲線方程參數
    • (xG, yG)：橢圓曲線基點坐標
    • (xA, yA)：簽名方的公鑰坐標

  2. 簽名過程

    • 輸入：私鑰、待簽名數據M、用戶ID
    • 輸出：簽名結果(r, s)
    1. 計算 ZA（如上）
2. 計算 e = HASH(ZA || M)
3. 生成隨機數k，計算橢圓曲線點(x1, y1) = [k]G
4. 計算 r = (e + x1) mod n
5. 若r=0或r+k=n，則重新生成k
6. 計算 s = ((1 + d)^?1 * (k ? r * d)) mod n（d為私鑰）
7. 返回(r, s)

  3. 驗簽過程

    • 輸入：公鑰、簽名(r, s)、原始數據M、用戶ID
    • 輸出：驗簽結果（true/false）
    1. 校驗r和s是否在[1, n-1]范圍內
2. 計算 ZA（與簽名方相同ID）
3. 計算 e = HASH(ZA || M)
4. 計算 t = (r + s) mod n
5. 計算橢圓曲線點(x1, y1) = [s]G + [t]P（P為公鑰）
6. 驗證 R = (e + x1) mod n 是否等于r

2.代碼實現

  1. 帶ID的簽名
/*** 使用 SM2 算法進行帶用戶 ID 的簽名，并返回 r 和 s 的拼接結果** @param privateKey 私鑰* @param publicKey  公鑰* @param data       待簽名的數據* @param userId     用戶 ID（如企業編號、用戶身份證等）* @return 簽名結果（Hex 編碼的字符串，64 字節）* @throws Exception 如果簽名過程中發生錯誤*/public static String signWithID(PrivateKey privateKey, PublicKey publicKey, String data, String userId) throws Exception {// 將私鑰轉換為 ECPrivateKeyParametersECPrivateKeyParameters ecPrivateKey = convertPrivateKey(privateKey);// 將公鑰轉換為 ECPublicKeyParametersECPublicKeyParameters ecPublicKey = convertPublicKey(publicKey);// 創建 SM2 簽名器SM2Signer signer = new SM2Signer(new SM3Digest());// 初始化簽名器，傳入私鑰和用戶 IDsigner.init(true, new ParametersWithID(ecPrivateKey, userId.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));// 更新待簽名的數據signer.update(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), 0, data.length());// 生成簽名byte[] signResult = signer.generateSignature();// 解析 DER 編碼的簽名結果ASN1Sequence sequence = ASN1Sequence.getInstance(signResult);BigInteger r = ASN1Integer.getInstance(sequence.getObjectAt(0)).getValue();BigInteger s = ASN1Integer.getInstance(sequence.getObjectAt(1)).getValue();// 打印 r 和 s 的值System.out.println("r 的十六進制值: " + r.toString(16));System.out.println("s 的十六進制值: " + s.toString(16));// 將 r 和 s 拼接為 64 字節的簽名結果byte[] rBytes = to32Bytes(r);byte[] sBytes = to32Bytes(s);byte[] rawSignature = new byte[64];System.arraycopy(rBytes, 0, rawSignature, 0, 32);System.arraycopy(sBytes, 0, rawSignature, 32, 32);// 返回 Hex 編碼的簽名結果return Hex.toHexString(rawSignature);}
  1. 帶ID的驗簽
/*** 使用 SM2 算法進行帶用戶 ID 的驗簽** @param publicKey  公鑰* @param data       待驗簽的數據* @param userId     用戶 ID（必須與簽名時一致）* @param signature  簽名結果（字節數組，r 和 s 的拼接格式）* @return 驗簽結果（true 表示驗簽成功，false 表示驗簽失敗）* @throws Exception 如果驗簽過程中發生錯誤*/public static boolean verifyWithID(PublicKey publicKey, String data, String userId, byte[] signature) throws Exception {// 將公鑰轉換為 ECPublicKeyParametersECPublicKeyParameters ecPublicKey = convertPublicKey(publicKey);// 創建 SM2 驗簽器SM2Signer verifier = new SM2Signer(new SM3Digest());// 初始化驗簽器，傳入公鑰和用戶 IDverifier.init(false, new ParametersWithID(ecPublicKey, userId.getBytes(StandardCharsets.UTF_8)));// 更新待驗簽的數據verifier.update(data.getBytes(StandardCharsets.UTF_8), 0, data.length());// 將 r 和 s 拼接格式的簽名結果轉換為 DER 編碼格式byte[] derSignature = convertRawSignatureToDER(signature);// 驗簽return verifier.verifySignature(derSignature);}

六、SM2加密與解密Java實現

1.SM2加密原理

  1. SM2加密過程主要基于橢圓曲線的數學特性，通過公鑰對明文數據進行加密。具體步驟如下：

    1. 選擇橢圓曲線參數
      • 使用橢圓曲線參數（如sm2p256v1），這些參數包括橢圓曲線方程的系數、基點G以及基點的階n。
    2. 生成隨機數k
      • 選擇一個隨機數k（1 < k < n），用于生成橢圓曲線上的一個點R = [k]G。
    3. 計算密文
      • 使用公鑰P（簽名方的公鑰）和隨機點R，根據SM2的加密公式計算密文。SM2支持兩種加密模式：
        • C1C3C2模式：密文格式為C1 || C3 || C2。
        • C1C2C3模式：密文格式為C1 || C2 || C3。
      • 其中：
        • C1是隨機點R的編碼。
        • C2是經過加密的明文數據。
        • C3是消息的哈希值，用于驗證數據完整性。
    4. 輸出密文
      • 將計算得到的C1、C2和C3拼接成最終的密文。

2.SM2解密原理

解密過程是加密的逆操作，使用私鑰對密文進行解密，還原出原始明文。具體步驟如下：

  1. 解析密文
    • 將密文拆分為C1、C2和C3。
  2. 計算橢圓曲線點
    • 使用私鑰d和C1中的點R，根據SM2的解密公式計算橢圓曲線上的一個點。
  3. 還原明文
    • 利用橢圓曲線的數學特性，結合C1、C2和C3，通過解密公式還原出原始明文。
  4. 驗證數據完整性
    • 使用C3驗證解密后的數據是否被篡改。

3.代碼實現

  1. 添加依賴

在pom.xml中添加Bouncy Castle依賴：

<dependency><groupId>org.bouncycastle</groupId><artifactId>bcprov-jdk15on</artifactId><version>1.70</version>
</dependency>
  1. 生成密鑰對
  /*** 生成SM2密鑰對*/public static KeyPair generateSM2KeyPair() throws Exception {// 獲取SM2橢圓曲線參數X9ECParameters ecParameters = GMNamedCurves.getByName("sm2p256v1");ECParameterSpec ecSpec = new ECParameterSpec(ecParameters.getCurve(),ecParameters.getG(),ecParameters.getN(),ecParameters.getH());// 創建密鑰對生成器KeyPairGenerator keyPairGenerator = KeyPairGenerator.getInstance("EC", "BC");keyPairGenerator.initialize(ecSpec, new SecureRandom());return keyPairGenerator.generateKeyPair();}
  1. 公鑰加密
 /*** SM2加密（C1C3C2模式）* @param publicKey 公鑰* @param data 待加密數據* @return 加密后的字節數組（C1C3C2格式）*/public static byte[] encrypt(BCECPublicKey publicKey, byte[] data) throws Exception {// 獲取橢圓曲線參數ECDomainParameters domainParams = new ECDomainParameters(publicKey.getParameters().getCurve(),publicKey.getParameters().getG(),publicKey.getParameters().getN());// 創建加密引擎（默認輸出C1C3C2格式）SM2Engine engine = new SM2Engine(SM2Engine.Mode.C1C3C2);// 初始化加密引擎ECPublicKeyParameters pubKeyParams = new ECPublicKeyParameters(publicKey.getQ(),domainParams);engine.init(true, new ParametersWithRandom(pubKeyParams, new SecureRandom()));return engine.processBlock(data, 0, data.length);}
  1. 私鑰解密
/*** SM2解密（C1C3C2模式）* @param privateKey 私鑰* @param cipherData 密文數據（C1C3C2格式）* @return 解密后的字節數組*/public static byte[] decrypt(BCECPrivateKey privateKey, byte[] cipherData) throws Exception {// 獲取橢圓曲線參數ECDomainParameters domainParams = new ECDomainParameters(privateKey.getParameters().getCurve(),privateKey.getParameters().getG(),privateKey.getParameters().getN());// 創建解密引擎（設置為C1C3C2模式）SM2Engine engine = new SM2Engine(SM2Engine.Mode.C1C3C2);// 初始化解密引擎ECPrivateKeyParameters priKeyParams = new ECPrivateKeyParameters(privateKey.getD(),domainParams);engine.init(false, priKeyParams);return engine.processBlock(cipherData, 0, cipherData.length);}

注意事項

  1. 密鑰管理：私鑰需安全存儲（如密碼機或云密碼機等）
  2. 性能優化：加解密大數據時建議使用SM4對稱加密配合SM2密鑰交換
  3. ID編碼：userId.getBytes() 需與業務方約定編碼格式（如UTF-8、HEX等）
  4. 長度限制：ID長度建議不超過65535字節（規范限制）
  5. 跨系統交互：與其他系統（如C++、Go）對接時需確認ID處理邏輯一致性

總結

希望這篇文章對你有所幫助！如果覺得不錯，別忘了關注哦！

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